半導體二極管及其應用

半導體二極管及其應用第一頁，共五十頁，2022年，8月28日4.1半導體基礎(chǔ)知識導體、絕緣體和半導體第二頁，共五十頁，2022年，8月28日半導體的結(jié)構(gòu)特點現(xiàn)代電子學中，用得最多的半導體是硅和鍺，它們的最外層都電子（價電子）都是四個。它們的最外層電子既不像導體那樣容易掙脫原子核的束縛成為自由電子，也不像絕緣體那樣被原子核束縛很緊，內(nèi)部沒有自由電子，所以半導體的導電能力介于導體和絕緣體之間。第三頁，共五十頁，2022年，8月28日一、本征半導體本征半導體就是純凈半導體。本征半導體中的四價元素是靠共價鍵結(jié)合成分子的。半導體包括本征半導體和雜質(zhì)半導體共價鍵共用電子對硅和鍺的共價鍵結(jié)構(gòu)第四頁，共五十頁，2022年，8月28日共價鍵具有很強的結(jié)合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體。在硅和鍺晶體中，每個原子都處于正四面體的中心，其它原子處在四面體的頂點，每個原子與其相鄰的原子間形成共價鍵。第五頁，共五十頁，2022年，8月28日本征激發(fā)和兩種載流子在常溫下，本征半導體內(nèi)部僅有極少數(shù)的價電子可以在熱運動的激發(fā)下，掙脫原子核的束縛而成為晶格中的自由電子，與此同時，在共價鍵中將留下一個帶正電的空位子，稱為空穴。自由電子束縛電子空穴第六頁，共五十頁，2022年，8月28日熱運動激發(fā)所產(chǎn)生的電子和空穴總是成對出現(xiàn)的，稱為電子-空穴對。本征半導體因熱運動而產(chǎn)生電子-空穴對的現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。在外加電場力的作用下，自由電子的移動形成一個與自由電子移動方向相反的電流。外加電場力空穴的移動可以看成是自由電子定向依次填充空穴而形成的，形成與空穴運動方向相同的空穴電流。第七頁，共五十頁，2022年，8月28日半導體內(nèi)部同時存在著自由電子和空穴移動所形成的電流是半導體導電方式的最大特點，也是半導體與金屬導體在導電機理上本質(zhì)的差別。在電子技術(shù)中把參與導電的物質(zhì)稱為載流子。本征半導體中有兩種載流子，一種是帶負電的自由電子，另一種是帶正電的空穴。本征半導體的導電能力取決于載流子的濃度。第八頁，共五十頁，2022年，8月28日溫度越高，由本征激發(fā)所產(chǎn)生的電子-空穴對越多，本征半導體內(nèi)部載流子的濃度也越高，本征半導體的導電能力就越強，這就是半導體導電能力受溫度影響的直接原因。本征半導體本征激發(fā)的現(xiàn)象還與原子的結(jié)構(gòu)有關(guān)，硅的最外層電子離原子核較鍺的最外層電子近，所以硅最外層電子受原子核的束縛力較鍺的強，本征激發(fā)現(xiàn)象比較弱，熱穩(wěn)定性比鍺好。第九頁，共五十頁，2022年，8月28日第十頁，共五十頁，2022年，8月28日二、雜質(zhì)半導體半導體的導電能力除了與溫度有關(guān)外，還與半導體內(nèi)部所含的雜質(zhì)有關(guān)。在本征半導體中摻入微量的雜質(zhì)，可以使雜質(zhì)半導體的導電能力得到改善，并受所摻雜質(zhì)的類型和濃度控制，使半導體獲得重要的用途。由于摻入半導體中的雜質(zhì)不同，雜質(zhì)半導體可分為N型半導體和P型半導體兩大類。第十一頁，共五十頁，2022年，8月28日1、N型半導體在本征半導體硅（或鍺）中，摻入微量的五價元素，如磷（P）。五價元素的四個價電子與硅（或鍺）原子組成共價鍵后、將多余一個價電子。這一多余的電子不受共價鍵的束縛，容易掙脫原子核的束縛而成為自由電子。于是，半導體中自由電子的數(shù)量劇增。多余電子磷原子每個磷原子給出一個電子，故稱為施主原子。第十二頁，共五十頁，2022年，8月28日N型半導體中的載流子是什么？（1）由施主原子提供的電子，數(shù)目與施主原子相同；（2）本征激發(fā)成對產(chǎn)生的電子和空穴。由于摻入雜質(zhì)使自由電子數(shù)目大大增加，所以在N型半導體中，自由電子數(shù)目遠大于空穴數(shù)目。電子為多數(shù)載流子（簡稱多子），空穴為少數(shù)載流子（簡稱少子)。N型半導體主要靠自由電子導電，在本征半導體中摻入的雜質(zhì)越多，所產(chǎn)生的自由電子數(shù)也越多，雜質(zhì)半導體的導電能力就越強。

第十三頁，共五十頁，2022年，8月28日2、P型半導體在本征半導體硅（或鍺）中，摻入微量的三價元素，如硼（B）。三價元素的3個價電子與硅（或鍺）原子組成共價鍵后、將產(chǎn)生一個空位?？瘴慌鹪舆@一空位容易被鄰近的自由電子填補，產(chǎn)生一個空穴。于是，半導體中空穴的數(shù)量劇增?？昭總€硼原子接受一個電子，故稱為受主原子。第十四頁，共五十頁，2022年，8月28日P型半導體中的載流子是什么？（1）由于受主原子而產(chǎn)生的空穴，數(shù)目與受主原子相同；（2）本征激發(fā)成對產(chǎn)生的電子和空穴。由于摻入雜質(zhì)使數(shù)目空穴大大增加，所以在P型半導體中，空穴數(shù)目遠大于自由電子數(shù)目?？昭槎鄶?shù)載流子（簡稱多子），電子為少數(shù)載流子（簡稱少子)。P型半導體主要靠空穴導電，在本征半導體中摻入的雜質(zhì)越多，所產(chǎn)生的空穴數(shù)也越多，雜質(zhì)半導體的導電能力就越強。

第十五頁，共五十頁，2022年，8月28日三、PN結(jié)利用特殊的摻雜工藝，可以在一塊晶片的兩邊分別生成N型和P型半導體，在兩者的交界處將形成PN結(jié)。P型半導體N型型半導體擴散運動漂移運動內(nèi)電場E空間電荷區(qū)（擴散使空間電荷區(qū)加寬）（漂移使空間電荷區(qū)變?。?、PN結(jié)的形成當參與擴散的多數(shù)載流子和參與漂移的少數(shù)載流子在數(shù)目上相等時，空間電荷區(qū)內(nèi)電荷的數(shù)目將達到一個動態(tài)的平衡，并形成PN結(jié)。第十六頁，共五十頁，2022年，8月28日第十七頁，共五十頁，2022年，8月28日2、PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕?）外加正向電壓-----正向偏置(P接+,N接-)內(nèi)電場E內(nèi)外電場E外E外削弱E內(nèi),空間電荷區(qū)變窄,擴散大大超過漂移,形成較大的正向電流Ⅰ,呈現(xiàn)比較小的電阻。I第十八頁，共五十頁，2022年，8月28日（2）外加反向電壓-----反向偏置(P接-,N接+)E外增強E內(nèi),空間電荷區(qū)變厚,阻礙擴散,促進少子的漂移形成微小的反向電流ⅠS,呈現(xiàn)較大的電阻,ⅠS稱為反向飽和電流。外電場E外內(nèi)電場E內(nèi)歸納PN結(jié)的單向?qū)щ娦员憩F(xiàn)為:正偏導通,反偏截止第十九頁，共五十頁，2022年，8月28日3、PN結(jié)的電流方程當PN結(jié)外加電壓為u，產(chǎn)生電流

i，若它們的參考方向關(guān)聯(lián)，并且P為+,N為-，則電流方程為：UT稱為溫度電壓當量，在T=300K的常溫下，溫度電壓當量UT≈26mV。其中q為電子電量，k為玻耳茲曼常數(shù)，T為熱力學溫度。非線性元件第二十頁，共五十頁，2022年，8月28日4、PN結(jié)的伏-安特性曲線當PN結(jié)外加正向電壓u>>UT時，IS當PN結(jié)外加反向電壓|u|>>UT時，，1可忽略，式中的負號也說明了反向偏置時電流的方向與正向偏置時電流的方向相反。，i≈-IS，UBRPN結(jié)的反向擊穿有雪崩擊穿和齊鈉擊穿兩種，當摻雜溶度比較高時，擊穿通常為齊納擊穿；當摻雜溶度比較低時，擊穿通常為雪崩擊穿。無論那種擊穿，若對電流不加限制，都可能造成PN結(jié)的永久性損壞。第二十一頁，共五十頁，2022年，8月28日4.2半導體二極管一、結(jié)構(gòu)與符號:有玻璃外殼,塑料外殼,金屬外殼,里面是一個PN結(jié),引出到外面有兩個電極,P為+極,N為–極圖形符號是:文字符號是:VD,或者D+-二、伏安特性:1、二極管開啟電壓Uth硅管為0.5V，鍺管為0.2VUonUth2、二極管導通電壓Uon硅管為0.5~0.7V，鍺管為0.2~0.3V第二十二頁，共五十頁，2022年，8月28日-左移th減小增加下降第二十三頁，共五十頁，2022年，8月28日4.2.3二極管的主要參數(shù)(1)最大整流電流IF

指二極管長期工作時允許流過的正向平均電流的最大值。這是二極管的重要參數(shù)，使用中不允許超過此值。對于大功率二極管，由于電流較大，為了降低PN結(jié)的溫度，提高管子的帶負載能力，通常將管子安裝在規(guī)定的散熱器上使用。

(2)反向工作峰值電壓UR

反向工作峰值電壓UR是二極管工作時允許外加反向電壓的最大值。

通常UR為二極管反向擊穿電壓UBR的一半。第二十四頁，共五十頁，2022年，8月28日(3)反向峰值電流IR

反向峰值電流IR是二圾管未擊穿時的反向電流。IR愈小，二極管的單向?qū)щ娦杂谩?4)最高工作頻率fM

最高工作頻率fM是二極管工作時的上限頻率，超過此值，由于二極管結(jié)電容的作用，二極管將不能很好的實現(xiàn)單向?qū)щ娦?。第二十五頁，共五十頁?022年，8月28日4.2.4二極管極性的簡易判別法利用萬用表的R×100，或R×1K檔測量。數(shù)字萬用表的紅表筆插在“+”插孔上，相當于紅表筆與萬用表內(nèi)電池的負極相連，黑表筆與萬用表內(nèi)電池的正極相連。反向電阻要比正向電阻大得多。(1)當萬用表的黑表筆接至二極管陽極，紅表筆接至陰極時，二極管處在正向偏置，測得電阻很??；(2)當萬用表的黑表筆接至二極管陰極，紅表筆接至陽極時，二極管處在反向偏置，測得電阻很大。第二十六頁，共五十頁，2022年，8月28日模擬萬用表的紅表筆插在“+”插孔上，相當于紅表筆與萬用表內(nèi)電池的正極相連，黑表筆與萬用表內(nèi)電池的負極相連。第二十七頁，共五十頁，2022年，8月28日二極管正向特性的數(shù)學模型1、理想模型——理想的開關(guān)2、恒壓模型——其正向壓降為0.7V(硅管)4.2.5二極管的等效電路ii理想二極管+電壓源第二十八頁，共五十頁，2022年，8月28日3、折線模型：認為二極管的正向壓降不是恒定的，而是隨通過二極管電流的增加而增加。例如：二極管的Uth=0.5V當i=1mA時，uD=0.7V則注意：不同二極管的rD和 Uth是不一樣的i理想二極管+電壓電源+動態(tài)電阻第二十九頁，共五十頁，2022年，8月28日模型分析法應用舉例（1）使用理想模型得：uD=0ViD=VDD/R（2）使用恒壓模型得：uD=0.7ViD=（VDD-VD）/R+-uDVDDRDiD圖3.16（3）使用折線模型得：uD=Vth+iDrDiD=（VDD-Vth）/（R+rD）VDDVD時，使用恒壓模型較好VDD較低時，使用折線模型較合理根據(jù)實際情況選擇合適的模型是關(guān)鍵第三十頁，共五十頁，2022年，8月28日4.3二極管的應用二極管整流電路1、半波整流

二極管正半周導通負半周截止第三十一頁，共五十頁，2022年，8月28日2、橋式整流（全波整流）↗→+↗↑↑↓←↑←-→↘↑↓←↑↘+-←正半周負半周第三十二頁，共五十頁，2022年，8月28日3、倍壓整流:-u2+u1u2uo+-2u2-u2++--2u2+-+-2u2++--2u2+第三十三頁，共五十頁，2022年，8月28日4、限幅電路(1)當ui>US時，作用：讓信號在預置的電平范圍內(nèi)有選擇地傳輸一部分(2)當ui<US時，VD導通，uo=0.7VD截止，uo=ui若VD導通壓降可忽略第三十四頁，共五十頁，2022年，8月28日例1：如果圖示電路中設二極管為恒壓模型。求電路中輸出的電壓Vo值說明二極管處于何種狀態(tài)？解：假設先將A、B斷開，則VA=-10V,VB=-5V，∴VAB=VA-VB=-5V，可見接入后二極管將處于反向截止狀態(tài)，電路中電流為0（反向電阻無窮大），∴電阻R上的壓降為0，Vo=-5V第三十五頁，共五十頁，2022年，8月28日例2：如果圖示電路中設二極管為恒壓模型。求電路中輸出的電壓Vo值說明二極管處于何種狀態(tài)？解：假設先將A、B斷開，VB1＝0V，VB2=-12，VA＝

-9

V，VB1A＝VB1-VA＝9V，VB2A=VB2-VA＝-12-(-9)=-3V∴將D1、D2接入后，D1導通，D2截止，VA被D1箝位在－0.7V上?！郪o=VA=-0.7V導通截止第三十六頁，共五十頁，2022年，8月28日例3：已知二極管電路及其輸入波形如圖所示，忽略二極管正向壓降和正向電阻。試求VO的波形。當Vi>1v時，D1導通，Vo被鉗位在1v，D2因而截止。當Vi<1v，D1、D2均截止，Vo隨Vi而變化。解：分析第三十七頁，共五十頁，2022年，8月28日例:求Uab=?先得判斷VD1、VD2導通或者截止第三十八頁，共五十頁，2022年，8月28日5、開關(guān)電路應用：高速開關(guān)，邏輯電路vAvBv0000100010111其邏輯關(guān)系如下表：第三十九頁，共五十頁，2022年，8月28日

穩(wěn)壓管又稱齊納二極管。它是一種特殊的面接觸型硅晶體二極管。由于它有穩(wěn)定電壓的作用，經(jīng)常應用在穩(wěn)壓設備和一些電子線路中。

4.4穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管的符號第四十頁，共五十頁，2022年，8月28日 穩(wěn)壓管的正常工作范圍，是在伏安特性曲線上的反向電流上升的A、B段。這一段的電流，對于常用的小功率穩(wěn)壓管來講，一般為幾毫安至幾十毫安。IZminIZmaxAB穩(wěn)壓管工作在反向擊穿狀態(tài)穩(wěn)壓管的特性曲線與普通二極管基本相似，只是穩(wěn)壓管的反向特性曲線比較陡。ⅠZ+UZ_↓第四十一頁，共五十頁，2022年，8月28日一、穩(wěn)壓管的主要參數(shù)

(1)穩(wěn)定電壓VZ

穩(wěn)定電壓就是穩(wěn)壓二極管在正常工作時，管子兩端的電壓值。這個數(shù)值隨工作電流和溫度的不同略有改變，既是同一型號的穩(wěn)壓二極管，穩(wěn)定電壓值也有一定的分散性。

(2)穩(wěn)定電流IZ、最小穩(wěn)定電流IZmin、大穩(wěn)定電流IZmax

穩(wěn)定電流：工作電壓等于穩(wěn)定電壓時的反向電流；

最小穩(wěn)定電流：穩(wěn)壓二極管工作于穩(wěn)定電壓時所需的 最小反向電流；

最大穩(wěn)定電流：穩(wěn)壓二極管允許通過的最大反向電 流。第四十二頁，共五十頁，2022年，8月28日（3）額定功耗PZM

額定功耗PZM等于穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓VZ與最大穩(wěn)定電流IZM的乘積，穩(wěn)壓管的功耗超過此值時，會因PN結(jié)溫度過高而損壞。

（4）動態(tài)電阻rd

動態(tài)電阻rd是穩(wěn)壓管工作在穩(wěn)壓區(qū)時，端電壓變化量與電流變化量的比，即ΔUZ/ΔIZ，rd愈小，電流變化時UZ的變化愈小，即穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓特性愈好。（5）溫度系數(shù)α溫度系數(shù)α表示溫度每變化1℃時，穩(wěn)壓管穩(wěn)壓值的變化量。穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓小于4V的管子具有負溫度系數(shù)（屬于齊納擊穿），即溫度升高時穩(wěn)定電壓值下降；穩(wěn)定電壓大于7V的管子具有正溫度系數(shù)（屬于雪崩擊穿），即溫度升高時穩(wěn)定電壓值上升；而穩(wěn)定電壓在4～7V之間的管子，溫度系數(shù)非常小，齊納擊穿和雪崩擊穿均有，互相補償，溫度系數(shù)近似為零。第四十三頁，共五十頁，2022年，8月28日二、穩(wěn)壓管的應用穩(wěn)壓管常用在整流濾波電路之后，用于穩(wěn)定直流輸出電壓的小功率電源設備中。如圖是由R、Dz組成的穩(wěn)壓電路，電路的穩(wěn)定電壓的原理如下：只要R參數(shù)選得適當，就可以基本上抵消Vi的升高值，因而使Vo基本保持不變。RDZRLV0ViIRIZI0++--第四十四頁，共五十頁，2022年，8月28日可見，在這種穩(wěn)壓電路中，起自動調(diào)節(jié)作用的主要是穩(wěn)壓二極管Dz，當輸出電壓有較小的變化時，將引起穩(wěn)壓二極管電流Iz的較大變化，通過限流電阻R的補償作用，保持輸出電壓Vo基本不變。RDZRLV0ViIRIZI0++--第四十五頁，共五十頁，2022年，8月28日